一种基于时间调制的弹性化SAR卫星系统

曹岸杰，王 辉，刘庆波，成 飞

(1. 上海卫星工程研究所，上海 201109； 2. 上海无线电设备研究所，上海 201109)

0 引言

近年来，星载高分辨率遥感技术得到了迅速发展。高分辨率遥感卫星的遥感数据在对大型自然灾害的灾害响应、灾情实时监测、灾后重建等方面发挥了重要作用[1]。目前，基于光学图像的地震灾害灾后评估技术已发展得较为成熟，许多研究人员在该领域开展了大量的研究工作。但自然灾害往往伴随着恶劣天气，如2008年5月12日汶川地震后，由于重灾地区位于西藏高原东部边缘，降水量与降水频率极高；2014年威马逊台风登陆海口时，天空云层覆盖密集。多变的天气、光照强度有时会影响卫星光学有效载荷的观测效果，降低观测精度、观测频率，无法及时、准确地获取受灾地区情况。

SAR卫星可提供全天时、全天候、高分辨率的图像遥感数据，在第一时间获得灾区受灾情况的分布情况，并能提供实时、准确的监测信息，对应急救援、灾害评估的意义重大。然而，SAR卫星载荷功耗巨大、幅宽有限一定程度上限制了卫星广域成像或多目标详细观测的能力。同时，SAR卫星庞大的微波组件规模与基线尺寸也限制了卫星在轨数量。

随着双基/多基SAR卫星系统的提出[2]，SAR卫星突破了外形包络、发射质量带来的制约，具有更灵活的观测基线设计和更多样化的工作模式。随着毫米波射频器件日益成熟与星载调频连续波SAR载荷技术飞速发展，SAR卫星具备了小型化、多模式的发展潜质。德国宇航中心(DLR)在TerraSAR-X卫星成功发射后，开展了Tandem-X卫星的研制与发射工作；荷兰开展了基于X波段FMCW SAR卫星PanelSAR的研制工作；法国提出了Cartwheel卫星星座。然而，现有的双基/多基SAR卫星均采用相同设计，因此规模与成本也相应增加。双基/多基SAR卫星采用独立的本振调制与解调，需通过星间同步链路保障SAR载荷的性能，增加了卫星复杂度，同时降低了系统的可扩展性。

为了解决上述问题，本文提出了一种弹性化小卫星星座系统。基于调频连续波技术、时间调制阵列技术、自主任务规划技术，提供了一种小型化、模块化、低成本的多基观测系统方案，为后续多基卫星观测系统的发展提供了弹性化的解决思路。

1 系统概述

弹性化卫星系统的结构如图1、2所示，该系统由发射星和接收星2类卫星组成。发射星配置了Ka FMCW SAR发射载荷，接收星配置了Ka FMCW SAR接收载荷。该系统既可双星组网观测，也可依据观测幅宽、应用需求进行弹性化组网观测。卫星均配置了全球掩星探测仪(GNSS)，用于高精度校时，提供全球掩星观测数据；卫星还配置了基于时间调制天线的电磁信号遥感载荷，用于广域搜救、引导SAR自主成像等。其中，发射星配置了用于SAR成像背景辐射校正的多通道微波辐射计(MWS)。

图1 发射星结构Fig.1 Structure of proposed transmitter satellite

图2 接收星结构Fig.2 Structure of proposed receiver satellite

该系统的一大优势是能以较低的接收星研制成本实现高精度双基/多基观测。Ka FMCW SAR的引入不仅使卫星具备了准光学的观测能力，而且大幅降低了在轨实时处理的复杂度。由于该系统可以在不同的星座构型下弹性化运行，具有单发射单接收(SISO)、单发射多接收(SIMO)、多发射多接收(MIMO)等不同模式，可以满足可变幅宽成像、洋流测速甚至层析观测的要求，因此需要通过自主任务规划系统以满足实时和准确的监测要求。随着临近灾区或接收到求救信号的定位，星载任务规划算法通常在一定时间(约5 s)内积累目标信息，形成特征集，然后卫星选择相应的模式进行最优观测，基于统一观测基准调度卫星完成姿态机动并完成高分辨率成像。由于灾区建筑物和地理特征会因为灾情受到破坏，影响回波信号强度和背景的亮温信息。卫星通过周期性调用检测算法，对图像与遥感数据中纹理的差异进行识别，从而规划10 s后的观测工作。

图3 基于地标的任务机动Fig.3 Attitude maneuver based on unified benchmark

图4 自主任务规划Fig.4 Autonomous task planning

系统另一个优势是基于星簇特点，简化了星间同步方案。现有方案的主要方法有：基于星间同步链路传递连续高稳频率源信号的相位同步、基于双向脉冲交换的相位同步、高稳频率源结合地面控制点的方法、基于直达波传递的相位同步、交替双站模式相位同步等。但上述方法需通过复杂的星间/星地通信链路来实现。通过将接收星简化为“空间路由器”结构，直接将接收系统收到的雷达回波信号转发至发射星，避免了星间相位同步带来的额外资源开销。接收星仅作为空间路由器，实时转发回波信号。通过简化星载数据存储、数传等分系统结构，由于Ka FMCW体制在低峰值发射功率方面具有优势，简化后接收星的质量仅为同指标下传统卫星方案的1/3，能在保障系统性能的同时，大幅减轻发射质量，降低研制成本，使系统更灵活。

图5 可扩展星座结构Fig.5 Expandable satellite constellation architecture

2 同步链路简化

为了进一步简化卫星结构，系统借鉴了类似“空间路由器”的概念，省去了目前收发分置式星载SAR系统中采用的星间双向相位同步链路。为了不影响系统性能，雷达信号在接收-转发路径中的相位变化量必须保证恒定可控。为了保证发射星接收到来自多个接收星的回波且互不干扰，接收星需通过多载波频率调制回波数据。然而，无双向同步链路的传统混频器调制手段将引入额外的相位误差。通过引入时间调制阵列系统[3]，在射频端对回波进行调制，由于时间调制的本质是阵列信号的时间维度解耦[4]，因此可以避免额外的相位误差[5]。在此基础上，时间调制阵列还提供了一种空分复用的小型化解决方案。接收星和发射星载荷的原理框图如图6、图7所示。

图6 发射星载荷原理框图Fig.6 Schematic diagram of transmitters

图7 接收星载荷原理框图Fig.7 Schematic diagram of receivers

时间调制阵列系统通过控制转发天线阵列中射频的开关状态[6]，改变每个天线单元的工作状态，并通过天线阵列系统对信号进行调制。该方式下的天线只具有通、断2种状态，不会引入相位误差，系统将谐波的功率聚焦到发射星接收天线方向，并按照预先频分复用的约定，完成载波频率偏移[7]。发射星同样采用时间调制阵列完成多回波频分空分转发信号的接收，利用多个谐波指向完成不同空间指向与频率偏移[8]。卫星系统观测模式如图8所示。

图8 观测模式示意图Fig.8 Schematic diagram of observation mode

射频开关的通、断会产生各次谐波，通常情况下这些谐波被视为能量损失，而在高速射频开关对每个天线单元工作状态周期性的改变下，各次谐波能量在空间上耦合，天线单元的幅相改变等效于低旁瓣的离散泰勒分布[9-13]。

为了验证自适应时间调制天线阵系统的性能，假设了应用场景，开展了仿真工作。τi,on，τi,off表示第i个开关的导通和关闭时间，用于改变各次谐波的波束指向，其表达式为

(1)

式中：fc为载波频率；Ti为控制序列的时间周期，决定了迁移频率fp。

当信号从与法线夹角θ°处射入时，第i个天线阵收到的信号表示为

si(t)=e-j(n-1)Kdsin θejωct

(2)

描述波束方向图可表示为

(3)

以一个16元天线阵列的转发系统为例，由图10中的控制序列进行调制，天线波束的方向结果如图11所示。天线阵列同时产生正1次谐波指向10°方向，产生负3次谐波指向-30°方向，2个波束的频率差为4/Tp，同时满足了空分复用与频分复用的需求。

图10 控制时序Fig.10 Control sequence

图11 波束方向图Fig.11 Beam pointing pattern

在发射星端，针对多颗接收星的转发需求，采用16单元两维时间调制阵列天线，形成空间波束指向间隔20°的5个独立波束。在保障主星和各接收星同时具有独立链路的情况下，完成回波的载频回迁，用于数据处理。

图12 发射天线波束方向图Fig.12 Pointing pattern of transmitter

3 发展展望

基于时间调制阵列的结构特性，可将接收星进一步简化为图13中的“透视路由”，即将接收天线使用的时间调制阵列替代相控阵列天线，对地面天线通过高速时序调制，形成高增益、低旁瓣的对地扫描波束，在收到回波的同时，完成载频迁移，由对天面天线辐射在空间耦合形成波束。初步设计结果表明，同增益下的透视天线系统的质量是原有“相控阵+时间调制阵列”系统的1/5。采取上述的“透视路由”使卫星系统具备了弹性化高分辨率宽幅SAR成像能力，也使全球数字高程模型(DEM)的探测精度有望进一步提升。未来，系统低成本会带来多样化的基线设计，使星座系统可适应洋流监测、冰盖厚度测量、植被特性监测等一系列探测应用需求。

图13 透视天线Fig.13 Perspective antenna

4 结束语

针对星载双基/多基SAR卫星观测小型化、多模式的需求，本文采用Ka FMCW SAR技术和时间调制阵列技术，基于弹性化卫星星座系统结构，提出了一种基于时间调制的弹性化SAR卫星系统。与传统的大型双基/多基SAR卫星相比，该系统有效简化了卫星系统设计，省去了接收星数传、存储等星上分系统，避免了星间同步链路产生。同时可根据不同观测任务的需要，提供了一种频分、空分的“空间路由”架构，增强了系统的可扩展性、灵活性。后续还将针对时间调制阵列，开展基于“透视路由”的天线小型化设计。